無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)格結合關(guān)鍵問(wèn)題研究

微電子學(xué)、嵌入式系統等技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的快速發(fā)展。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )現在已應用于環(huán)境和生物監測、工業(yè)監控、軍事安全監測等多個(gè)領(lǐng)域。通過(guò)監測區域中布置的大量傳感器節點(diǎn)，可以精密測量物理世界，提高應用所需真實(shí)世界數據的數量和質(zhì)量，降低監控成本。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)成為一個(gè)新的計算平臺，可以無(wú)縫銜接數字世界和物理世界；它由一系列的傳感器節點(diǎn)構成，每個(gè)節點(diǎn)都具有環(huán)境感知、數據處理和無(wú)線(xiàn)通信能力。傳感器節點(diǎn)具有電池供電、計算存儲能力有限、通信帶寬低的特點(diǎn)，這使其在處理和利用所得數據時(shí)受到了限制[1]。

現在，具有高速計算能力、巨量存儲能力和高速通信帶寬特點(diǎn)的網(wǎng)格技術(shù)已經(jīng)成為在動(dòng)態(tài)虛擬社區中解決大規模分布式、異構資源共享的一個(gè)標準方式。

將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)格結合起來(lái)可以有效彌補無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的不足，并且有以下一些優(yōu)勢：

(1)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )感知到的大量數據可以利用網(wǎng)格處理。
網(wǎng)格擁有的計算資源和存儲資源可以對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )收集到的大量數據進(jìn)行處理、分析和存儲。

(2)一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所得的數據可以同時(shí)被多個(gè)網(wǎng)格應用使用。
同一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所得數據可以通過(guò)網(wǎng)格平臺同時(shí)被多個(gè)應用程序使用，傳感數據使用更加方便，數據使用率同時(shí)提高。

(3) 利用網(wǎng)格可以得到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據的新知識。
在網(wǎng)格中可以利用數據挖掘、數據融合、分布式數據庫等技術(shù)對其數據進(jìn)行處理，獲得傳感數據的新知識。

1.相關(guān)工作
HourGlass[2]是一個(gè)網(wǎng)格和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的結合方案。HourGlass主要由三個(gè)部分構成：數據收集網(wǎng)絡(luò )（DCN），傳感器接入點(diǎn)（SEP），應用程序接入點(diǎn)（AEP）。DCN由一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的系統構成，它能夠發(fā)現、過(guò)濾、查詢(xún)多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。SEP能夠將應用程序的數據需求映射成底層的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )上的操作，或者把無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )上的數據路由到數據收集網(wǎng)絡(luò )（DCN）。 AEP是應用程序連接到DCN的連接系統,它將應用程序的請求映射到基于DCN的服務(wù)上來(lái)處理。

SensorGrid[3][4]是將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)格結合在一起構成的復合系統。 SensorGrid采用分布式網(wǎng)絡(luò )結構，由傳感節點(diǎn)、中間層和決策制定層構成。系統主要考慮了分布式數據融合、分布式處理、網(wǎng)絡(luò )協(xié)同等問(wèn)題，可以進(jìn)行數據融合、事務(wù)監測和分類(lèi)、分布式?jīng)Q策制定等工作。

2.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)格結合關(guān)鍵問(wèn)題

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)格是兩個(gè)差異性很大的網(wǎng)絡(luò )，兩者在物理層、通信協(xié)議、應用協(xié)議等各方面都不同。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)格在結合過(guò)程中遇到的網(wǎng)絡(luò )連接、擴展性、任務(wù)調度等問(wèn)題需要利用本文提出的結合框架來(lái)解決。

(1)不同網(wǎng)絡(luò )連接問(wèn)題
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中傳感器節點(diǎn)之間的互聯(lián)是通過(guò)低帶寬、高延遲和不可靠的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，傳感器節點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)連接會(huì )由于環(huán)境噪音和信號衰減的影響造成無(wú)線(xiàn)通信中斷；網(wǎng)格中各種設備的互聯(lián)是通過(guò)快速和可靠的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。在結合框架中，需要解決傳感器節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信中不可預期的網(wǎng)絡(luò )中斷和通信延遲問(wèn)題。

(2)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)格的協(xié)議映射
網(wǎng)格通信中使用的是標準的Internet協(xié)議，比如TCP/IP、HTTP等。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信通常使用私有協(xié)議，尤其MAC協(xié)議和無(wú)線(xiàn)路由協(xié)議大多都是私有協(xié)議。由于傳感器節點(diǎn)的計算和存儲能力有限，沒(méi)有能力使用Internet協(xié)議，在結合框架中就需要將網(wǎng)格中使用的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議有效地映射到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)中。
另外，網(wǎng)格的OGSA標準是基于Web Service的，它使用了XML、SOAP和WSDL等技術(shù)。讓傳感器節點(diǎn)將傳感數據打包成XML格式并發(fā)布為網(wǎng)格服務(wù)是不現實(shí)的，需要結合框架將傳感數據映射為網(wǎng)格服務(wù)。

(3)可擴展性
結合框架需要在不改變整體結構的前提下將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)加入到網(wǎng)格中。它要能夠同時(shí)連接多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，并可以容易地和網(wǎng)格的計算、存儲資源進(jìn)行集成，這樣才可以使用戶(hù)透明地使用多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

(4)能量管理
傳感器節點(diǎn)使用電池供電并且通常電量不可補充，能量管理是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)非常重要問(wèn)題。從結合框架角度來(lái)看，傳感器節點(diǎn)的可用性不僅取決于它們當前的負載狀態(tài)，同樣也取決于它們的能量剩余。結合框架應該能夠提供適應性的能量管理服務(wù)，這樣可以使使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用程序在傳感器節點(diǎn)操作和電量使用上找到平衡點(diǎn)。

(5)任務(wù)調度
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中傳感器節點(diǎn)的任務(wù)調度要考慮能量消耗和可用傳感器資源。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )，在進(jìn)行任務(wù)調度時(shí)，有效地利用傳感器收集到的傳感數據也是非常重要的一項工作。在結合框架中同時(shí)存在多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)，要求調度過(guò)程能夠充分利用多種類(lèi)型的數據。

(6)系統安全
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所感知到的數據往往都是非常重要而且要求保密的，不允許任何數據的竊取和惡意修改。網(wǎng)格資源也要求經(jīng)過(guò)認證的個(gè)人和服務(wù)提供者才能夠訪(fǎng)問(wèn)。在網(wǎng)格中，通過(guò)認證和授權機制來(lái)確保訪(fǎng)問(wèn)者的合法身份，實(shí)現網(wǎng)格資源的安全訪(fǎng)問(wèn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通過(guò)使用節點(diǎn)認證、傳感數據加密、安全MAC協(xié)議等方式來(lái)保證節電和傳感數據的有效安全。結合框架為了同時(shí)保證網(wǎng)格和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的安全，需要將網(wǎng)格安全技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)有機結合起來(lái)，確保整個(gè)系統的安全。

(7)健壯性
傳感器節點(diǎn)使用電池供電、使用不可靠的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )通信，很有可能會(huì )造成運行在傳感器節點(diǎn)上的傳感任務(wù)失敗。為了防止傳感器節點(diǎn)上的傳感任務(wù)失敗，結合框架應該支持任務(wù)的復制和遷移。這樣，如果部分傳感器節點(diǎn)失效，傳感任務(wù)也可以很快由失效傳感節點(diǎn)遷移到正常節點(diǎn)。如果有足夠的傳感資源，傳感任務(wù)也可以復制。這樣，部分節點(diǎn)的失效不會(huì )影響到整個(gè)傳感任務(wù)的執行。最后，如果傳感任務(wù)被打斷，在系統恢復后，傳感任務(wù)應該能夠從打斷的地方重新開(kāi)始。